TERAHERTZ VACUUM ELECTROMAGNETIC RADIATION SOURCES: EVOLUTION ZIGZAG FROM KLYNOTRON TO KLYNOORBICTRON
Cite this article as:
Yeryomka V. D. TERAHERTZ VACUUM ELECTROMAGNETIC RADIATION SOURCES: EVOLUTION ZIGZAG FROM KLYNOTRON TO KLYNOORBICTRON. Izvestiya VUZ. Applied Nonlinear Dynamics, 2013, vol. 21, iss. 1, pp. 7-34. DOI: https://doi.org/10.18500/0869-6632-2013-21-1-7-34
Investigation and development of efficient electromagnetic oscillations sources are one of the topical issues in the field of terahertz radiophysics and electronics. A frequency region is regarded as an explored for which oscillating, amplifying and measurement devices have not been developed. The exploration of the terahertz frequency range is at the initial state. In a review paper, published in one of the USA scientific journal [1], which was devoted to the terahertz radiation vacuum sources there is some reminder of using, a «klynotron effect» in the BWO developed at the IRE NASU. The aim of the present paper is to give a short description of the contribution to exploring the terahertz frequency range which was made by researchers and developers of oscillatory and measurement devices. These facilities were proposed and engineered at A. Usikov IRE NASU over the period 1956–2011. This paper also contains the feeling appreciation and gratitude to the Department of electronics of N.G. Chernyshevskiy Saratov state university on the occasion of its 60-th anniversary. The university graduates made a tangible contribution to the development a microwave electronics as well as to the study into the «klynotron effect». We have obtained the results from the investigation of the coherent terahertz region vacuum sources with nonrelativistic-tilted-to the surface of the periodic structure by an electron flow. This work was done using the techniques of physical and mathematical experiment. Evolutionary development was traced from the O-type BWO-klynotron to klynoorbictron. We have demonstrated the promising exploration of the terahertz radiation vacuum sources with smooth tuning of an output signal frequencies in which the «klynotron effect» is utilized. The information we have provided extends the knowledge about potential capabilities of terahertz electromagnetic radiation vacuum sources with an tilted sheet electron flow. The author’s historical comments are not devoid of shortcoming some because they reflect his knowledges and prejudices.
1. Booske J.H., Dobbs R.J., Joye C.D., Kory C.L., Neil G.R., Park G.-S., Park J., Temkin R.J. Vacuum electromagnetic high-power terahertz sources // IEE Trans. on Terahertz Science and Technology. September 2011. Vol. 1, No 1. P. 54.
2. Калинин В.И. Генерирование дециметровых и сантиметровых волн (микрорадиоволн). М.: Связьиздат, 1948.
3. Калинин В.И., Герштейн Г.М. Введение в радиофизику. М.: Сов. радио, 1959.
4. Шевчик В.Н. Основы электроники СВЧ. М.: Сов. радио, 1959.
5. Шевчик В.Н., Шведов Г.Н., Соболева А.В. Волновые и колебательные явления в электронных потоках на сверхвысоких частотах. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1962.
6. Шевчик В.Н. Взаимодействие электронных пучков с электромагнитными волнами. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1963.
7. Шевчик В.Н., Трубецков Д.И. Аналитические методы расчета в электронике СВЧ. М.: Сов. Радио, 1970.
8. Электронные приборы СВЧ / Под ред. В.Н. Шевчика и М.А. Григорьева. Саратов: СГУ, 1980.
9. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. М.; Ижевск: РХД, 2000.
10. Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т. 2. М.: Физматлит, 2004.
11. Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т. 1. М.: Физматлит, 2003.
12. Методы нелинейной динамики и теории хаоса в задачах электроники сверхвысоких частот. Том 1. Стационарные процессы / Под редакцией А.А. Кураева и Д.И. Трубецкова. М.: Физматлит, 2009.
13. Методы нелинейной динамики и теории хаоса в задачах электроники сверхвысоких частот. Том 2. Нестационарные и хаотические процессы / Под редакцией А.А. Короновского, Д.И. Трубецкова, А.Е. Храмова. М.: Физматлит, 2009.
14. Кураев А.А. Сверхвысокочастотные приборы с периодическими электронными потоками. Минск: Наука и техника, 1971.
15. Кураев А.А., Ковалев И.С., Колосов С.В. Численные методы оптимизации в задачах электроники СВЧ. Минск: Наука и техника, 1975.
16. Кураев А.А. Теория и оптимизация электронных приборов СВЧ. Минск: Наука и техника, 1979.
17. Кураев А.А. Мощные приборы СВЧ: Методы анализа и оптимизации параметров. М.: Радио и связь, 1986.
18. Кураев А.А., Байбурин В.Б., Ильин Е.М. Математическое моделирование и методы оптимального проектирования СВЧ приборов. Минск: Наука и техника, 1990.
19. Кураев А.А., Попкова Т.Д., Синицын А.К. Электродинамика и распространение радиоволн. Минск: Бестпринт, 2004.
20. Koch М. Terahertz technology: Quo vadis? // Photonik international, 2006. P. 14.
21. Миллиметровые и субмиллиметровые волны / Под ред. Р.Г. Мириманова. М.: Изд-во иностр. лит., 1959.
22. Manley J.M., Rowe H.F. General energy relations in nonlinear reactances // Proc. IRE. 1959. Vol. 47, No l2. P. 2115.
23. Barnet L.R., Baird J.N., Grow R.W., and Holmes S.G. Submillimeter-wave BWO’s // IEEE Int. Electron Devices Meeting. San Francisco, CA. Technical Digest. 1985. P. 364.
24. Woolard D., Kaul R., Sueniam R., Walker A.H., Globus T., and Samuela A. Terahertz electronics for chemical and biological warfare agent detection // IEEE MTT-S Dig. 1999. P. 925.
25. Piesiewicz R., et al. THz channel characterization, for future wireless gigabit indoor communication systems // in Terahertz and Gigahertz Electronics and Photonics IV / R.J. Hu and K.J. Linden (eds) //Proceedings of SPIE. 2005. Vol. 5727. P. 166.
26. Kompfner R. The invention on traveling-wave tube. San Francisco Press, 1964. 30 p.
27. А.с. СССР No 172364 от 31.05.1948. Генераторное устройство микроволнового диапазона / М.Ф. Стельмах // Бюллетень изобретений и открытий. No 13. 1965.
28. Альтшулер Ю.Г., Татаренко А.С. Лампы малой мощности с обратной волной. М.: Сов. радио, 1963.
29. Электроника ламп с обратной волной / Под. ред. В.Н. Шевчика и Д.И. Трубецкова. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1975.
30. Трубецков Д.И. Введение в СВЧ электронику. История и начальные сведения // Лекции по электронике СВЧ и радиофизике. 7-я зимняя школа-семинар инженеров. Саратов: Книга 3. Изд-во Саратовского университета, 1986.
31. Стельмах М.Ф. К теории сдвоенного блока щелевых резонаторов // Радиотехника. 1953. No 8. С. 30.
32. Стельмах М.Ф. О взаимодействии электронного потока с с полем пространственных гармоник // Радиотехника и электроника. 1957. Т. 2, No 4. С. 461.
33. Тараненко З.И., Трохименко Я.К. Замедляющие структуры. Киев: «Техника», 1965.
34. Силин Р.А., Сазонов А.Л. Замедляющие системы. М.: Сов. Радио, 1966.
35. Guenard P., Doehler О., Epsztein В., Warnecke R. ́ Nouveau tubes oscillateurs a large bande d’accord onique pour hyperfrequences // C.R. Acad. Sc. 1952. Vol. 235. P. 236.
36. Гершензон Е.М., Голант М.Б., Негирев А.А., Савельев В.С. Лампы обратной волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн / Под ред. Н.Д. Девяткова. М.: Радио и связь, 1985. 136 с.
37. Ives L., Kory С., Read М., et al. Development of terahertz backward wave oscillators // International Vacuum Electronics Conference (IVEC’2004). Conf. Dig. Monterey, CA, USA (27–29 April 2004). 2004. P. 68.
38. Dayton J.A.Jr., Mearini G.T., Kory C.L. Diamond based submillimeter backward wave oscillator// International Vacuum Electronics Conference Digest. 1990. P. 341.
39. Barnet L.R., Stankiewicz N., Dayton J.A.Jr. Submillimeter backward-wave oscillator // IEEE Int. Electron Devices Meeting. San Francisco, CA Technical (IVEC’2004) / Conf. Dig. Monterey, CA, USA (27–29 April 2004). 2004. P. 71.
40. Отчет о НИР «Боксит» Разработка методов создания широкодиапазонных измерительных генераторов миллиметрового диапазона волн. Научный руководитель А.Я. Усиков. Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. АН УССР. 1957. 168 с.
41. Мillтап S. A spatial harmonic travelling-wave amplifier for six millimeters wavelength //Proc. of the IRE. 1951. Vol. 39, No 9. P. 1035.
42. Kompfner R. Backward-wave oscillator //Bell Lab. Rec. 1953. Vol. 31, No 8. P. 281.
43. Kompfner R., Williams N.T. Backward-wave tubes// Proc. of the IRE. 1953. Vol. 41, No l I. P. 1602.
44. Walker L.R. Starting current in the backward-wave oscillator//J. Appl. Phys. 1953. Vol. 24, No 7. P. 854.
45. A.c. СССР No341113 от 17.12.1956. Лампа обратной волны / Г.Я Левин // Открытия, изобретения. 1972. No 25. С. 201.
46. Электроника и радиофизика миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн / Под ред. А.Я. Усикова. Киев.: Наук. думка, 1986.
47. Левин Г.Я., Бородкин А.И., Кириченко А.Я. и др. Клинотрон / Под ред. А.Я. Усикова. Киев: Наук. думка, 1992.
48. Ефимов Б.П., Кириченко А.Я., Бужинский А.П. Экспериментальное исследование влияния отражений на частотные характеристики ЛОВ миллиметрового диапазона // Труды ИРЭ АН УССР. Харьков. 1967. Т. 15. С. 141.
49. Yeryomka V.D., Belukha О.Ya., Kirichenko L.O. Low-resonance mm and submmwave BWO-klynotron // Proc. 13-th Int. Crimean conference «Microwave Telecommunication Technology» (CriMiCo’2003), Sevastopol, Ukraine, Weber, 2003. Vol. 1. P. 255.
50. Кириченко А.Я., Ефимов Б.П. К вопросу о работе ЛОВ О-типа с нежесткосфокусированным электронным потоком в неоднородном магнитном поле // Труды ИРЭ АН УССР. Харьков. 1967. Т. 15. С. 130.
51. Лысенко Е.Е., Пишко О.Ф., Чумак В.Т., Чурипова С.А. Состояние разработок клинотронов непрерывного действия // Успехи современной радиоэлектрон. Зарубежная радиоэлектрон. 2004, No 8. С. 3.
52. Кириченко А.Я., Чурипова С.А. Клинотрон // Радиофизика и электроника. Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. 2004. 1.9., спец. вып. С. 68.
53. Мильчо M.B., Ефимов Б.П., Завертанный В.В., Гончаров В.В. Особенности режимов работы генераторов типа клинотрон // Радиофизика и электроника. Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. 2005. Т. 10, No 3. С. 435.
54. A.c. СССР No 555751 от 17.12.1956. Лампа обратной волны – клинотрон / В.Д. Ерёмка, А.Я. Кириченко, В.А. Солодовник // Открытия, изобретения. 1978. No 44. С. 227.
55. Еремка В.Д., Кириченко А.Я., Солодовник В.А. О возбуждении косой гребенки электронным потоком // Изв. вузов. Радиофизика. 1977. Т. 20, No 10. С. 1580.
56. Кириченко А.Я. Ортоклинотронный эффект // Радиофизика и электроника. Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. 2007. Т. 12, спец. вып. С. 59.
57. Победоносцев А.С., Тагер А.С. Анализ взаимодействия электронного потока с электромагнитной волной в приближении «заданного поля» // Электроника. 1958, No 5. С. 117.
58. Конторович В.М., Малеев В.Я. Об устойчивости наклонного пучка с импедансной плоскостью // Труды Ин-та радиофизики и электрон. АН УССР. Харьков, 1961, Т. 9. С. 217.
59. Конторович В.М. О волнах в наклонном пучке, заполняющем полупространство над замедляющей системой // Труды Ин-та радиофизики и электрон. АН УССР. Харьков. 1962, Т. 10. С. 143.
60. Андрушкевич B.C., Козлов Г.А., Трубецков Д.И. К двумерной линейной теории СВЧ приборов О-типа // Изв. вузов. Радиофизика. 1967. Т. 10, No l. C. 105.
61. Конторович В.М., Малеев В.Я. Взаимодействие наклонного электронного пучка с поверхностной волной (теория клинотрона) // Радиофизика и электроника, 2007, т. 12, специальный выпуск, посвященный 50-летию клинотрона. С. 22.
62. Ваврив Д.М. Теория клинотрона // Радиофизика и электроника. 2007. Т. 12. Специальный выпуск, посвященный 50-летию клинотрона. С. 35.
63. Андрушкевич В.С., Гамаюнов Ю.Г., Патрушева Е.В. Нелинейная теория клинотрона // Радиотехника и электроника. 2010. Т. 55, No 3. С. 355.
64. Мильчо M.B. Взаимодействие электронов с поперечной и продольной составляющими высокочастотного поля в генераторах типа клинотрон // Радиофизика и электроника. Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. 2007. Т. 12, специальный выпуск, посвященный 50-летию клинотрона. С. 59.
65. А.с. 50354. СССР. М.кл. H01J 25/10. Умножительный клинотрон миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн / В.Д. Еремка, Л.А. Поспелов, А.Я. Кириченко // Открытия, изобретения. 1970. No 4.
66. А.с. 59810. СССР М.ПК. H01J 25/10. Умножительный клинооротрон миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн / В.Д. Еремка, Л.А. Поспелов, А.Я. Кириченко //Открытия. Изобретения. 1971. No 46.
67. Еремка В.Д. Умножители частоты с наклонным электронным потоком // Радиофизика и электроника. Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. 2007. Т. 12. Специальный выпуск, посвященный 50-летию клинотрона. С. 81.
68. Yeryomka V.D. Frequency multipliers with inclined electron flow // Proc. 17-th Int. Crimean Conference «Microwave & Telecommunication Technology» (CriMiCo’ 2007). Sevastopol, Ukraine. Weber, 2007. Vol. 1. P. 151.
69. А.с. СССР No195557 от 16.02.1965. Электронный прибор для генерации и усиления колебаний миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн / Ф.С. Русин, Г.Д. Богомолов // Открытия, изобретения, 1967, No 10.
70. Smith S.J. and Purcell E.M. Visible light from localized surface charges moving acrоss a gratting // Phys. Rev. 1953. Vol. 92, No 4. P. 1069.
71. Русин Ф.С., Богомолов Г.Д. Оротрон – электронный прибор с открытым резонатором и отражающей решеткой // Изв. вузов. «Радиофизика». 1968, Т. 11. No 5. С. 756.
72. Богомолов Г.Д., Бородкин А.И., Кущ B.C., и др. О возбуждении гребенки в открытом резонаторе в режиме оротрона и режиме ЛОВ // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1970. No 1. С. 97.
73. А.с. СССР No 334605 от 03.04.1970. Генератор дифракционного излучения / Балаклицкий И.М., Курин В.Г., Скрынник Б.К., Третьяков О.А., Шестопалов В.П. // Открытия, изобретения. 1972. Бюллетень No 12.
74. Балаклицкий И.М., Скрынник Б.К., Третьяков О.А., Шестопалов В.П. Генератор дифракционного излучения воли миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов //Украинский физический журнал. 1969. Т. 14, No 4. С. 539.
75. Балаклицкий И.М., Курин В.Т., Скрынник Б.К. О работе ГДИ в режиме ЛОВ /Укр. физ. журн. 1970. Т. 15, No 5. С. 717.
76. Шестопалов В.П. Дифракционная электроника. Х.: «Вища школа». Изд-во Харьк. ун-та, 1976.
77. Корнеенков В.К., Мирошниченко В.С., Скрынник Б.К. Генераторы дифракционного излучения непрерывного и импульсного действия // Радиофизика и электроника. Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. 1998. Т. 3, No 1. С. 67.
78. Wortman D.E., Leavitt R.P. The Orotron // In «Infrared and millimeter waves, 1983, vol. 7, Sources and Radiation» (K.J. Button, ed.), p. 322. Academic Press, New York.
79. Mizuno K., Ono S., Shibata Y. Two different mode interaction in an electron tube with a Fabry–Perot resonator – the ledatron // IEEE Trans. Electron Devices. 1973. ED-20, No 8. P. 749.
80. Mizuno K. and Ono S. The Ledatron // In «Infrared and millimeter waves. 1979, vol. 1, Sources and Radiation» (K.J. Button, ed.), p. 213. Academic Press, New York.
81. Вайнштейн Л.А., Исаев В.А., Трубецков Д.И. Электронный генератор с открытым резонатором // Радиотехника и электроника. 1983. Т. 28, No 7. С. 1233.
82. Цейтлин М.Б., Мясин Е.А. Оротрон. Анализ эффективных режимов // Радиотехника и электроника. 1993. Т. 38. No 6. С. 961.
83. Мороз Е.Е., Сорока А.С., Третьяков О.А., Шматько А.А. Резонатор с двойной решеткой как колебательная система автогенератора // Радиотехника и электроника. 1980. Т. 25, No 11. С. 2301.
84. A.c. СССР No 669963 от. 15.12.1976. Генератор дифракционного излучения / В.Д. Еремка, В.К Корнеенков. Б.К. Скрынник, В.П. Шестопалов // Открытия, изобретения. 1979. No 9. С. 47.
85. Еремка В.Д., Кравченко В.Ф., Кураев А.А., Пустовойт B.C., Синицын А.К. Атомарные функции в задаче оптимизации по КПД двухпучкового оротрона с нерегулярной сдвоенной гребенкой // Зарубежная радиоэлектрон. Успехи со- временной радиоэлектрон. 2000. No 3. С. 58.
86. Гуляев Ю.В., Кураев А.А., Нефедов Е.И. и др. К задаче оптимизации коаксиального оротрона // Докл. АН СССР. 1981. Т. 257, No 2. С. 349.
87. Yeryomka V.D., Kurayev A.A., Sinitsyn A.K. Phase velocity optimization millimeterwavelength orotron with tilted electron beam // Telecommunications and Radio Engineering. 2008. Vol. 67, No 9. Р. 383.
88. Патент Украины No 89882 от 10.03.2010. Коаксиальный оротрон / В.Д. Еремка, А.А. Кураев, А.Л. Синицын // Бюллетень, 2010, No 6.
89. Кураев А.А., Синицын А.К. Исследование автофазного режима в релятивистском оротроне // Радиотехника и электроника. 1987. Т. 32, No 11. С. 2427.
90. Кравченко В.Ф., Рвачев В.А., Рвачев В.Л. Математические методы обработки сигналов на основе атомарных функций // Радиотехника и электроника. 1995.Т. 40, No 9. С. 1385.
91. Батура М.П., Кураев А.А., Синицын А.К. Основы теории и оптимизации современных электронных приборов СВЧ. Минск: БГУИР, 2007.
92. Патент Украины No 72435 от 09.11.2011. Орбиктрон – генератор дифракционного излучения / В.Д. Еремка, В.С. Мирошниченко, Ю.М. Демченко // Бюллетень 2012, No 16.
93. Открытый резонатор с прямоугольной канавкой на зеркале, теория и эксперимент / М.Ю. Демченко, В.К. Корнеенков, В.С. Мирошниченко, А.Е. Поединчук, Ю.А. Тучкин, Ю.В. Свищев // Радиофизика и электроника. Сб. трудов ИРЭ НАН Украины. 2000. Т. 5. No 3. С. 19.
94. Yeryomka V.D., Gurevich A.V., Kurayev А.А., Sinitsyn А.К. Klinoorbictron – Terahertz Range Oscillator // 12-th Int. Vacuum Electronics Conference (IVEC’2011). February 21–24, 2011, Bangalore, India. Conf Dig. P. 253.
95. Гуревич A.B., Еремка В.Д., Кураев А.А., Синицын А.К. Двухкаскадный орботрон – усилитель и умножитель частоты //Успехи современной радиоэлектроники. 2007. No 10. С. 64.
96. Безбородов В.И., Киселев В.К., Кулешов Е.М., Яновский М.С. Квазиоптические измерительные устройства ближнего миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн на основе металлодиэлектрического волновода квадратного сечения // Радиофизика и электроника. Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. 2007. Том 12, No 3. С. 589.
BibTeX
author = {Victor Danilovich Yeryomka},
title = {TERAHERTZ VACUUM ELECTROMAGNETIC RADIATION SOURCES: EVOLUTION ZIGZAG FROM KLYNOTRON TO KLYNOORBICTRON},
year = {2013},
journal = {Izvestiya VUZ. Applied Nonlinear Dynamics},
volume = {21},number = {1},
url = {https://old-andjournal.sgu.ru/en/articles/terahertz-vacuum-electromagnetic-radiation-sources-evolution-zigzag-from-klynotron-to},
address = {Саратов},
language = {russian},
doi = {10.18500/0869-6632-2013-21-1-7-34},pages = {7--34},issn = {0869-6632},
keywords = {Terahertz (THz) frequencies,submillimeter waves,vacuum electronic devices,BWO-klynotron,orotron,orbictron,klynoorotron,klynoorbictron.},
abstract = {Investigation and development of efficient electromagnetic oscillations sources are one of the topical issues in the field of terahertz radiophysics and electronics. A frequency region is regarded as an explored for which oscillating, amplifying and measurement devices have not been developed. The exploration of the terahertz frequency range is at the initial state. In a review paper, published in one of the USA scientific journal [1], which was devoted to the terahertz radiation vacuum sources there is some reminder of using, a «klynotron effect» in the BWO developed at the IRE NASU. The aim of the present paper is to give a short description of the contribution to exploring the terahertz frequency range which was made by researchers and developers of oscillatory and measurement devices. These facilities were proposed and engineered at A. Usikov IRE NASU over the period 1956–2011. This paper also contains the feeling appreciation and gratitude to the Department of electronics of N.G. Chernyshevskiy Saratov state university on the occasion of its 60-th anniversary. The university graduates made a tangible contribution to the development a microwave electronics as well as to the study into the «klynotron effect». We have obtained the results from the investigation of the coherent terahertz region vacuum sources with nonrelativistic-tilted-to the surface of the periodic structure by an electron flow. This work was done using the techniques of physical and mathematical experiment. Evolutionary development was traced from the O-type BWO-klynotron to klynoorbictron. We have demonstrated the promising exploration of the terahertz radiation vacuum sources with smooth tuning of an output signal frequencies in which the «klynotron effect» is utilized. The information we have provided extends the knowledge about potential capabilities of terahertz electromagnetic radiation vacuum sources with an tilted sheet electron flow. The author’s historical comments are not devoid of shortcoming some because they reflect his knowledges and prejudices. }}